核能,能成為航天的燃料嗎!

【專(zhuān)家解說(shuō)】：利用核裂變、核聚變和反物質(zhì)3種工作形式工作的核反應(yīng)堆作為推進(jìn)動(dòng)力，就有望實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想。 　　核裂變火箭 　　科學(xué)家們同核裂變打交道已有六十多年的經(jīng)驗(yàn)。幾十年前，他們利用核裂變?cè)碇圃炝嗽訌椇涂煽睾朔磻?yīng)堆。 　　美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員在喬治·查普林的領(lǐng)導(dǎo)下，設(shè)計(jì)出了概念型、可控高速粒子的“裂變碎片”反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆類(lèi)似于一大摞“唱片”?！俺敝黧w由石墨構(gòu)成，石墨上有放射性核燃料(如钚和镅)。工作時(shí)，“唱片”旋轉(zhuǎn)著進(jìn)入圓柱形塔，同塔中其他放射性物質(zhì)接觸后迅速發(fā)生可控鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。附加在“唱片”狀反應(yīng)堆上的強(qiáng)大磁場(chǎng)將反應(yīng)產(chǎn)生的裂變碎片束縛在一起，以同一方向噴射而出，噴射所產(chǎn)生的巨大的反作用力能把火箭推到極高的速度，即每秒1.8萬(wàn)公里，約為光速的6%。 　　為使火箭飛行速度達(dá)到光速的十分之一，即每秒3萬(wàn)公里，弗里斯比提議把兩個(gè)裂變火箭疊加起來(lái)成為二級(jí)核裂變火箭。該火箭第二級(jí)將能有效地將火箭(探測(cè)飛船)推到光速的12%。庋??死囁刪??6年漫長(zhǎng)的星際旅行，進(jìn)入阿爾法人馬座恒星系中類(lèi)似地球的行星的軌道。如果要探測(cè)離地球更遠(yuǎn)的星球，那么宇航員在有生之年根本無(wú)法完成漫長(zhǎng)的星際旅行。即使可以采用更多級(jí)的核裂變火箭來(lái)協(xié)助飛行，他們也只能仰天長(zhǎng)嘆。 　　镅242并非自然界中存在的元素，它是通過(guò)用中子轟擊钚而獲得的放射性同位素。镅242是最理想的可作為核燃料的同位素，因?yàn)樗恍柽_(dá)到裂變反應(yīng)臨界狀態(tài)的鈾或钚質(zhì)量的1%，就能開(kāi)始持續(xù)裂變。從傳統(tǒng)的放射性燃料如鈾235和钚239中不可能得到這樣的裂變碎片，因?yàn)樗鼈兌夹枰薮蟮娜剂习魜?lái)吸收裂變產(chǎn)物。 　　為了大大減輕飛船的重量，使其盡可能的小，裂變火箭應(yīng)該用镅242這樣的、能產(chǎn)生可作為推進(jìn)劑的高能高溫裂變產(chǎn)物的核燃料。不過(guò)據(jù)美國(guó) 　　專(zhuān)家估算，飛向鄰近恒星系的旅行需要大約200萬(wàn)噸镅。然而，如果改用鈾或钚，那么所需燃料重量會(huì)大得更為驚人，這勢(shì)必將增加探測(cè)器的體積和重量，使探測(cè)器變得十分龐大而不切實(shí)際。 　　核聚變火箭 　　弗里斯比認(rèn)為，因?yàn)楹司圩兪菍⒃雍私Y(jié)合在一起而不是將原子核分裂，所以該火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)在獲取能量的方式上要比裂變發(fā)動(dòng)機(jī)完美得多。聚變反應(yīng)堆能夠減少產(chǎn)生一些不必要的放射，另外聚變堆很容易獲得補(bǔ)充燃料。這是因?yàn)樵谠虑虻谋砻婧湍拘堑拇髿庵写嬖诖罅康娜剂想碗?。這意味著，采用利用核聚變火箭作為交通工具可在太陽(yáng)系內(nèi)的月球或木星上補(bǔ)充燃料，然后繼續(xù)星際旅行。 　　但遺憾的是，科學(xué)家經(jīng)過(guò)了數(shù)十載的努力，至今仍沒(méi)有造出一個(gè)能正常工作的核聚變反應(yīng)堆。人類(lèi)已經(jīng)知道如何引爆氫彈(氫彈爆炸時(shí)發(fā)生核聚變反應(yīng))，但卻無(wú)法掌握控制技術(shù)。美國(guó)新澤西國(guó)家球形環(huán)試驗(yàn)裝置(NSTX)和聯(lián)合歐洲環(huán)(JET)等聚變實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將氘和氚原子核約束在磁場(chǎng)中，并加熱至數(shù)百萬(wàn)度，當(dāng)原子核發(fā)生碰撞并結(jié)合時(shí)有能量釋放出來(lái)。但是，眼下這類(lèi)試驗(yàn)所耗能量幾乎是其產(chǎn)生能量的兩倍。 　　不過(guò)，弗里斯比樂(lè)觀地認(rèn)為，聚變技術(shù)已不再遙遠(yuǎn)。一旦科學(xué)家掌握了受控核聚變，那么他們將控制反應(yīng)中產(chǎn)生的帶電粒子，并讓它們從噴口噴射而出。從核聚變反應(yīng)堆噴出的粒子能使二級(jí)火箭的速度達(dá)到光速的12%。核聚變火箭推進(jìn)的宇宙飛船同采用核裂變火箭推進(jìn)的星際旅行類(lèi)似，能很快地飛抵最近的恒星系，但卻沒(méi)有更多潛力可挖。核聚變火箭需要的燃料大約也是200萬(wàn)噸，不過(guò)不需要厚厚的防輻射層，這意味著利用這種動(dòng)力的空間儀器體積要小得多。 　　反物質(zhì)火箭 　　阿爾伯特·愛(ài)因斯坦著名的能量方程(E＝mc2)表明：物質(zhì)是能量的一種濃縮形式。裂變和聚變反應(yīng)僅僅將1%的反應(yīng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了能量。然而事實(shí)上，有一種方式能使物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化率接近100%，這就是將物質(zhì)與其鏡像“孿生”兄弟———反物質(zhì)相結(jié)合。物理學(xué)家讓接近光速的基本粒子進(jìn)行猛烈碰撞后獲得了少量的反物質(zhì)。瑞士CERN高能物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家不久前“捕獲”到1百萬(wàn)個(gè)反氫原子。應(yīng)該看到，反物質(zhì)將是星際旅行火箭的重要燃料。然而，想要獲得星際旅行火箭所需的大量反物質(zhì)，也許是件不可思議的事情。但弗里斯比表示：這是一種相當(dāng)直接的方式，我們已經(jīng)擁有了產(chǎn)生反物質(zhì)所需的磁場(chǎng)、輻射體和粒子束。 　　在反物質(zhì)火箭中，一定量的反氫原子和等量的氫原子在燃燒室內(nèi)混合發(fā)生“燃燒”。如果雙方各自重量為半磅，那么在結(jié)合湮滅時(shí)所產(chǎn)生的能量將比10兆噸氫彈釋放的能量還要大，伴隨能量噴出的還有π介子和μ介子粒子流。采用同裂變火箭類(lèi)似的方式將粒子束縛起來(lái)，讓它們從噴嘴噴出，其噴射速度將達(dá)到光速的三分之一，這樣火箭的最高速度將可達(dá)到光速的66%。 　　兩級(jí)反物質(zhì)火箭飛往阿爾法人馬座恒星系需要90萬(wàn)噸燃料。在更遠(yuǎn)距離的星際旅行中，利用四級(jí)(兩級(jí)加速，兩級(jí)減速)火箭可使反物質(zhì)火箭顯示出自己的優(yōu)勢(shì)。據(jù)弗里斯比計(jì)算，飛往距離地球41光年的巨蝎座55恒星需要3800萬(wàn)噸燃料，耗時(shí)130年。而采用裂變火箭，同樣的航程則需400年。 　　走出太陽(yáng)系還有新動(dòng)力 　　星際旅行的最佳方法將是放棄使用推動(dòng)宇宙飛船飛行的大量燃料。 　　過(guò)去人類(lèi)發(fā)射的水星探測(cè)器、完成的阿波羅登月計(jì)劃和現(xiàn)在使用的航天飛機(jī)均暴露了采用火箭推進(jìn)方式存在的缺陷：攜帶的大量燃料使航天器變得龐大低效，因?yàn)榛鸺a(chǎn)生的大量動(dòng)力耗費(fèi)在運(yùn)載燃料上。這種較為原始的推進(jìn)方式在發(fā)射人造衛(wèi)星和登月計(jì)劃中尚可采用，但是在星際旅行中，工程師們認(rèn)為需要另外尋找更輕便、更靈活和更迅捷的推進(jìn)系統(tǒng)，讓飛船速度接近光速。這樣的新型推進(jìn)系統(tǒng)目前有兩種，其中一種不久將接受測(cè)試；而另一種如同阿爾法人馬座那樣，離我們還十分遙遠(yuǎn)。 　　激光帆 　　1984年，美國(guó)休斯飛機(jī)公司研究實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家羅伯特·福沃德在其標(biāo)志性的論文中，提出了采取古老風(fēng)帆技術(shù)進(jìn)行星際旅行的理念。正如勁風(fēng)能使帆船漂洋過(guò)海那樣，強(qiáng)大的激光束也可以推動(dòng)具有大“帆”的宇宙飛船在太空中暢游。激光的光束射到“帆”上后便轉(zhuǎn)化成動(dòng)力并推動(dòng)宇宙飛船前進(jìn)。科學(xué)家設(shè)想用太陽(yáng)系中的激光器為飛船提供動(dòng)力，讓其逐漸提速，并奔向遙遠(yuǎn)的世界。 　　至今，工程師們已研制出一種簡(jiǎn)單的太空帆船，但它利用太陽(yáng)光能而非激光束提供動(dòng)力。在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)，行星學(xué)會(huì)(一個(gè)太空愛(ài)好者的私人組織)計(jì)劃發(fā)射其首創(chuàng)的太陽(yáng)“帆船”。此“帆船”名為宇宙1號(hào)(Cosmos1)，重50磅，其鍍鋁“帆”寬達(dá)100英尺?！胺庇?jì)劃于2005年從北冰洋巴倫支海海域利用潛艇發(fā)射升空。離開(kāi)大氣層后，太陽(yáng)光將推動(dòng)它進(jìn)入更高的運(yùn)行軌道。 　　太陽(yáng)帆的工作原理是，帆將照射過(guò)來(lái)的太陽(yáng)光(光子)反射回去。由于力的作用是相互的，太陽(yáng)帆將光子“推”回去的同時(shí)，光子也會(huì)對(duì)太陽(yáng)帆產(chǎn)生反作用力。就是這種反作用力推動(dòng)飛船前進(jìn)。NASA噴氣推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)“帆船”負(fù)責(zé)人霍皮·普賴斯認(rèn)為，這種不攜帶燃料的推進(jìn)方式將開(kāi)辟全新的星際旅行方式。但是，由于太陽(yáng)光隨著距離的增加而減弱，因此太陽(yáng)“帆船”在遠(yuǎn)離太陽(yáng)后將無(wú)法繼續(xù)前進(jìn)。 　　同太陽(yáng)光相比，聚焦的激光束能夠?qū)ⅰ胺蓖浦涟柗ㄈ笋R座恒星系甚至更遠(yuǎn)，原因在于激光束不會(huì)像陽(yáng)光那樣隨著距離的增加出現(xiàn)發(fā)散和減弱。根據(jù)福沃德的理念，弗里斯比描繪出人類(lèi)飛向巨蝎座55星恒星的旅行方案。他采用600英里寬的鋁制薄膜“帆”推動(dòng)的宇宙飛船，旅行艙設(shè)在“帆”的中間。架設(shè)在地球軌道或月球表面的激光器產(chǎn)生的高能激光束經(jīng)過(guò)一面反射鏡聚焦在飛船的“帆”上推動(dòng)飛船。激光器將工作數(shù)年，保證飛船達(dá)到其巡航速度。然后在飛船抵達(dá)目的地前數(shù)年重新開(kāi)始工作，以幫助飛船降低速度。 　　金屬鋁的熔點(diǎn)為華氏1220度，弗里斯比提出大尺寸“帆”的設(shè)想是為了解決“帆”自身的散熱問(wèn)題，“帆”過(guò)熱由高能激光束所引起。如果計(jì)劃在太空組裝飛船“帆”，那么應(yīng)采用更輕便、更富有彈性的材料。NASA格倫研究中心的杰弗里·蘭迪斯正在研究采用金屬鈮(熔點(diǎn)為華氏4490度)或鉆石(在華氏3270度時(shí)斷裂成石墨)制作的薄膜。高溫材料能夠承受光斑更小但能量密度更高的激光束的照射。鉆石“帆”具有與弗里斯比的鋁“帆”相同的功能，但它對(duì)飛船的加速更快，可以縮短星際旅行時(shí)間。 　　如果激光束用來(lái)幫助人類(lèi)飛向巨蝎座55星，那么激光器的輸出功率將大得令人不可思議。根據(jù)弗里斯比的估算，推動(dòng)飛船所需的激光器穩(wěn)定能量輸出應(yīng)達(dá)17000萬(wàn)億瓦特。要實(shí)現(xiàn)如此巨大的能量輸出，弗里斯比提出利用特殊裝置集聚太陽(yáng)能來(lái)泵浦激光器，也就是說(shuō)激光器在太陽(yáng)的作用下產(chǎn)生會(huì)聚的、相干性高能光束。實(shí)際上，美國(guó)芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家已展示了一種新系統(tǒng)，它能將普通光的密度提高84000倍。 　　如果掌握了激光帆技術(shù)，那么人類(lèi)再也不用擔(dān)心遠(yuǎn)距離飛行的燃料問(wèn)題。此外，通過(guò)精巧的設(shè)計(jì)，當(dāng)飛船到達(dá)目的地時(shí)，帶有旅行艙的“帆”的中間部分將與“帆”脫離，失去中間部分的“帆”將激光束聚焦在旅行艙上，幫助它減速。根據(jù)弗里斯比的研究，激光“帆”飛船在不到10年的飛行時(shí)間內(nèi)，其速度就可達(dá)到光速的一半。如果采用直徑為200英里的激光“帆”，我們可以在12年半的時(shí)間內(nèi)抵達(dá)阿爾法人馬座；采用600英里寬的激光帆，與巨蝎座55星中類(lèi)似地球的行星相會(huì)也只需86年。 　　聚變沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 　　理想的宇宙飛船應(yīng)該同時(shí)具有激光帆和火箭的優(yōu)點(diǎn)，這樣，宇航員能操縱它隨意飛行，同時(shí)又不必考慮攜帶和補(bǔ)充燃料的問(wèn)題。 　　1960年，物理學(xué)家羅伯特·巴薩德提出的技術(shù)設(shè)想就能夠滿足如此苛刻的要求。他將自己的技術(shù)稱(chēng)為聚變沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)利用強(qiáng)大磁鐵形成了直徑巨大的磁漏斗，磁漏斗的作用是將星際旅行中沿途的氫收集起來(lái)作為飛船核聚變反應(yīng)堆的燃料。沒(méi)有燃料負(fù)載的飛船在聚變沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下，能以接近光速的速度在宇宙中自由穿梭。 　　弗里斯比對(duì)聚變沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)持十分謹(jǐn)慎的態(tài)度，認(rèn)為這個(gè)概念現(xiàn)在還不成熟。此外，采用該技術(shù)的飛船在飛行速度不足光速的4%時(shí)，其情況同聚變火箭相當(dāng)。速度進(jìn)一步提高后，飛船的磁漏斗才能給反應(yīng)堆提供足夠的燃料。弗里斯比推斷，采用聚變沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的飛船飛至阿爾法人馬座和巨蝎座55星各需25年和90年。 　　聚變沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)飛船存在著兩個(gè)明顯的問(wèn)題。問(wèn)題之一是聚變?nèi)剂显陲w船的前方堆積會(huì)產(chǎn)生阻力降低飛船的速度，在星球密度比較高的區(qū)域，飛船也許會(huì)因摩擦而出現(xiàn)接近停滯不前的狀況。事實(shí)上，宇航工程師羅伯特·朱布林曾建議利用類(lèi)似的磁場(chǎng)作為星際旅行飛船的制動(dòng)器，這樣既能讓飛船減速，同時(shí)又能節(jié)約燃料。問(wèn)題之二是現(xiàn)在聚變?cè)囼?yàn)反應(yīng)使用的氘和氚在太空中十分稀少，雖然普通氫的含量較高，但還沒(méi)有人知道如何讓它發(fā)生核反應(yīng)。 　　應(yīng)該看到，雖然人類(lèi)進(jìn)行星際旅行最重要的是解決交通工具問(wèn)題，根據(jù)弗里斯比的描述，我們似乎看到了人類(lèi)走出太陽(yáng)系的希望。不過(guò)，人類(lèi)征服宇宙的道路還很漫長(zhǎng)，在這條漫長(zhǎng)的道路上還有許多問(wèn)題，如宇航員生存和生活問(wèn)題，在長(zhǎng)達(dá)40多年的飛行中，他們的食物、氧氣和水，以及他們的心理健康都是需要進(jìn)行周密研究的課題。 　　愿人類(lèi)早日?qǐng)A了自己走出太陽(yáng)系，實(shí)現(xiàn)星際旅行的夢(mèng)想。